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水下无线通信在观察水下物种和生态的演化、开采水下资源以及国家国防等活动中起着至关重要的作用。水下可见光通信以其保密性强、能耗低、几何尺寸小、延迟低等特点,有望成为未来主流的水下通信技术。本文针对LED作为水下可见光通信用光源时所面临的传播距离短、传输速率有限等问题,进行了理论分析与实验探索,获得如下研究成果:1.模拟计算了光强呈朗伯型分布的LED光源在透镜聚光模型和抛物面聚光模型下的光线分布特点,并提出了聚光优化方案。根据抛物面模型的特点,对于3535陶瓷封装的光源来说,器件高度为110mm时,最佳出光口的直径为100mm;对于透镜模型,通过提升材料的折射率、透镜厚度、透镜的曲率可以提高模型的光能利用率;“5倍规则”适用于从光强的角度近似点光源,在器件聚光器件的设计中的应用有局限性,对于抛物面模型来说,其底面直径为圆形面光源直径的16倍时,面光源可以近似为一个点光源。2.研究了具有超晶格周期数分别为6、15、32的硅衬底蓝光LED的可见光通信性能,结果表明:驱动电流为300mA时,-30dB下三种样品的响应频率依次为:242MHz,292MHz,282MHz;该电流下,当通信速率为2.4Gbit/s时,三种样品的通信误码率分别为:0.0036,0.0020,0.0030。超晶格周期数为15的样品通信性能最好。三种样品的GaN(105)非对称面的倒易空间图(RSM)表明:超晶格周期数越大的样品其InGaN量子阱在GaN上驰豫越大,这有利于样品通信性能的提升;样品表面形貌扫描图(SEM)表明,三种样品中V形坑尺寸分别为:103.7nm(6SLs)、137.7nm(15SLs)、205.0nm(32SLs)。实验表明:350mA驱动电流下,有源区内含有V形坑的样品最高通信速率为0.75Gbit/s,而有源区内不含V形坑的样品通信速率可达1.05Gbit/s,进一步证实了 V形坑对通信性能的影响。所以,在以上两种因素共同影响下,在超晶格周期分别为6、15、32的三组样品中,300mA驱动电流下15个超晶格周期样品的通信性能表现最佳。3.研究了多量子阱周期数分别为3、4、5、6的四组硅衬底InGaN/GaN绿光LED的可见光通信性能,结果表明:驱动电流为400mA时,-30dB下四种样品的响应频率分别为:338MHz,322MHz,320MHz,304MHz;该电流下,当通信速率为2.4Gbit/s时,三种样品的通信误码率分别为:0.0024,0.0029,0.0033,0.0037。表明多量子阱周期数小的样品通信性能更好。4.研究了量子阱厚度分别为23A、25 A、27 A、29 A的四组硅衬底InGaN/GaN绿光LED的可见光通信性能,结果表明:驱动电流为400mA时,-30dB下四种样品的响应频率分别为:322MHz,308MHz,298MHz,294MHz;该电流下,当通信速率为2.4Gbit/s时,三种样品的通信误码率分别为:0.0032,0.0035,0.0065,0.0136,表明量子阱厚度越低,样品通信性能越好。5.基于理论分析和实验结果,设计了水下可见光通信用的LED光源,并进行了可见光通信测试,结果表明:短距离(1.2米)高速通信环境中,27mil芯片的通信性能明显优于45mil芯片;长距离通信下,为了保证传输距离,应尽量选取大尺寸甚至可以考虑采用LED阵列光源保证足够的光能传播;荧光粉的量会影响LED光通信性能,荧光粉白光LED的色温应控制在7000K左右。